Fabricación aditiva, impresión 3 D

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Published on April 22, 2014

Author: LuisVillaverde

Source: slideshare.net

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Este es un informe de COTEC sobre las tecnologías de impresión 3D o Fabricación Aditiva.

AGENCIA DE DESARROLLO ECONÓMICO DE LA RIOJA AGENCIA DE INVERSIONES Y SERVICIOS DE LA JUNTA DE CASTILLA Y LEÓN AGENCIA NAVARRA DE INNOVACIÓN Y TECNOLOGÍA ALMA CONSULTING GROUP ALMIRALL APPLUS+ ASESORÍA I+D+I ATOS ORIGIN ESPAÑA AYUNTAMIENTO DE GIJÓN AYUNTAMIENTO DE VALENCIA BBVA CAJA DE AHORROS Y PENSIONES DE BARCELONA (LA CAIXA) CÁMARA DE COMERCIO E INDUSTRIA DE MADRID CIDEM CLARKE, MODET & Cº CONSEJERÍA DE EDUCACIÓN Y CIENCIA DE LA JUNTA DE CASTILLA-LA MANCHA CONSEJERÍA DE INNOVACIÓN, CIENCIA Y EMPRESA DE LA JUNTA DE ANDALUCÍA CORPORACIÓN MONDRAGON CORPORACIÓN TECNOLÓGICA DE ANDALUCÍA CRISA DELOITTE DEPARTAMENTO DE CIENCIA, TECNOLOGÍA Y UNIVERSIDAD DEL GOBIERNO DE ARAGÓN DIRECCIÓN GENERAL DE INVESTIGACIÓN, DESARROLLO E INNOVACIÓN DE LA XUNTA DE GALICIA DIRECCIÓN GENERAL DE UNIVERSIDADES E INVESTIGACIÓN DE LA CONSEJERÍA DE EDUCACIÓN DE LA COMUNIDAD DE MADRID ENDESA ENRESA ESTEVE EUROCONTROL EUSKALTEL EVERIS FUNDACIÓN ACS FUNDACIÓN BARRIÉ DE LA MAZA FUNDACIÓN FOCUS-ABENGOA FUNDACIÓN IBIT FUNDACIÓN LILLY FUNDACIÓN RAMÓN ARECES FUNDACIÓN UNIVERSIDAD-EMPRESA FUNDACIÓN VODAFONE FUNDECYT GAS NATURAL FENOSA GÓMEZ-ACEBO & POMBO ABOGADOS GOOGLE ESPAÑA GRUPO MRS GRUPO PRISA GRUPO SPRI HC ENERGÍA HISPASAT IBERDROLA IBM IMADE IMPIVA IMPULSO INDRA INSTITUTO DE DESARROLLO ECONÓMICO DEL PRINCIPADO DE ASTURIAS INSTITUTO DE FOMENTO DE LA REGIÓN DE MURCIA INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CANARIAS, S. A. LA SEDA DE BARCELONA LECHE PASCUAL MERCADONA MIER COMUNICACIONES OHL PATENTES TALGO PRICEWATERHOUSECOOPERS REPSOL YPF SADIEL SOLUTEX TALÈNCIA CATALUNYA RECERCA TELEFÓNICA VICINAY CADENAS ZELTIA COTEC es una fundación de origen empresarial que tiene como misión contribuir al desarrollo del país mediante el fomento de la innovación tecnológica en la empresa y en la sociedad españolas. CotecFundación Cotec para la Innovación Tecnológica Pza. Marqués de Salamanca 11, 2.º izqda. 28006 Madrid Teléf.: (34) 91 436 47 74 Fax: (34) 91 431 12 39 http://www.cotec.es 30Fabricación aditiva FUNDACIÓN COTEC PARA LA INNOVACIÓN TECNOLÓGICA DOCUMENTOS COTEC SOBRE OPORTUNIDADES TECNOLÓGICAS 9 7 8 8 4 9 2 9 3 3 1 5 0 ISBN 987-84-92933-15-0

30Fabricación aditiva

30Fabricación aditiva DOCUMENTOS COTEC SOBRE OPORTUNIDADES TECNOLÓGICAS 30Fabricación aditiva DOCUMENTOS COTEC SOBRE OPORTUNIDADES TECNOLÓGICAS

Primera edición: Octubre de 2011 Depósito legal: M. 37.432-2011 ISBN: 978-84-92933-15-0 Imprime: Gráficas Arias Montano, S. A.

Presentación ............................................................. 9 1 Introducción ......................................................... 13 1.1 Un breve vistazo atrás: la industrialización y el desarrollo económico ............................. 14 1.2  La fábrica en la era digital ......................... 15 1.3 Fabricación de sólidos por adición de capas de material ............................................... 17 2  Ventajas y retos de futuro del AM ....................... 21 2.1 Ventajas asociadas a los productos que hay que fabricar .............................................. 23 2.2 Ventajas asociadas a los procesos de ejecu- ción ......................................................... 29 2.3  Limitaciones y retos de futuro ...................... 31 2.4  El valor frente al coste de la tecnología ........ 40 3 Sectores de aplicación ........................................ 47 3.1  Sector médico ........................................... 47 3.2  Sector aeronáutico ..................................... 55 3.3  Sector automoción ..................................... 60 3.4  Sector del molde y matricería ..................... 61 3.5 Sectores intensivos en diseño: joyería, arte, textil y mobiliario ....................................... 64 3.6  Industria manufacturera en general .............. 67 3.7  Nuevos sectores económicos ...................... 70 4 Relevancia mundial del AM ................................ 77 5 Relación de prestadores de servicios .................... 81 5.1  Centros tecnológicos y universidades ........... 81 5.2  Proveedores de maquinaria ........................ 83 5.3  Proveedores de servicios ............................ 84 7 ÍNDICE

6 Conclusiones ..................................................... 85 7 Enlaces de interés .............................................. 87 7.1  Páginas en la red ...................................... 87 7.2 Publicaciones ............................................ 87 8 Glosario de términos .......................................... 89 Anexo 1: Integración del AM con procesos convencio- nales de fabricación ............................... 91 Anexo 2: Cadena de operaciones en los procesos de AM ....................................................... 101 Anexo 3: Descripción de tecnologías de AM ............ 107 Anexo 4: La importancia del diseño en el AM .......... 129 Anexo 5: Materiales, software y normalización en AM ....................................................... 137 8

Una de las actividades permanentes de Cotec es mostrar y difundir oportunidades tecnológicas que permitan al tejido empresarial y social español incrementar su capital técnico, su capacidad innovadora y su competitividad. Los Documentos Cotec sobre Oportunidades Tecnológicas conforman una colección orientada a cumplir con el objeti- vo estratégico de contribuir a incrementar la actitud innova- dora, tanto en los ámbitos empresarial y académico como en la sociedad en general. Estos documentos se editan después de un proceso de debate sobre un borrador muy elaborado, que tiene lugar en sesiones con expertos en las áreas de la tecnología o grupo de tecnologías implicadas en o próximas al tema del documento en cuestión. El obje- tivo de estos debates es complementar y enriquecer la visión de los coordinadores del documento con la de esos expertos externos, contribuyendo a mejorar el documento final. Desde Cotec se ha elegido para este documento el tema de las tecnologías de fabricación aditiva, que se encuentran en los inicios de un proceso de expansión horizontal como modalidades de la fabricación avanzada, cuya aplicación puede contribuir con grandes ventajas competitivas. Son muy diversas las tecnologías que permiten fabricar piezas 9 presentación

por este principio, constituyendo así una nueva revolución en la industria. En este documento se recogen los aspectos más destaca- bles de las tecnologías de fabricación aditiva y se explican los conceptos fundamentales para su comprensión. Se des- criben los beneficios que tienen sobre los procesos conven- cionales de fabricación, y se discuten los retos que aún se deben superar para conseguir aplicarlas de forma exitosa en una gran variedad de sectores. La sesión de debate de este documento tuvo lugar el día 3 de febrero de 2011 en la sede de Cotec en Madrid, y contó con la colaboración de un equipo de expertos empre- sariales e investigadores coordinados por Jesús Fernández, Íñigo Felgueroso y Carlos García Pando, de la Fundación Prodintec, que prepararon y coordinaron el material de esta publicación. La Fundación Cotec quiere expresar su agradecimiento a todos los que contribuyeron a hacer posi- ble este documento, especialmente a los coordinadores de la Fundación Prodintec. Cotec, 2011 10

11 Participantes en la sesión Cotec sobre fabricación aditiva Expertos participantes Pascal Antoine IMVOLCA José Ramón Blasco AIMME César Carrión AIJU Joaquim de Ciurana Gay Universidad de Girona Felipe Esteve Oró ASERM (Asociación Española de RM) Juan Alberto Favaro ESDi-AdiFad Magí Galindo Centro Tecnológico LEITAT Berta Gonzalvo Fundación AITIIP Manuel González SOCINSER José Greses EOS GMBH Electro Optical System José Antonio Jaldo Hoffmann Innovation Iberica Víctor Paluzíe Ávila RMS Rapid Manufacturing Systems Javier Peña Andrés ELISAVA Xavier Plantá ASCAMM Luis Portolés AIMME Emilio Ramiro Ramen Guillermo Reyes IQS Instituto Químico de Sarriá Ramón Rubio García Universidad de Oviedo Expertos coordinadores Jesús Fernández Fundación Prodintec Íñigo Felgueroso Fundación Prodintec Carlos García Pando Fundación Prodintec

13 La Fabricación Aditiva o Additive Manufacturing (AM), como se conoce internacionalmente, consiste básicamente en manipular material a escala micrométrica y depositarlo de forma muy precisa para construir un sólido. Aunque novedosas, son muy diversas las tecnologías que permiten fabricar piezas por este principio, lo que supo- ne una nueva revolución industrial. La posibilidad de prescindir de utillajes, de reproducir cualquier geometría que el ser humano pueda imaginar (y dibujar), la inme- diatez en la respuesta a la demanda cambiante del con- sumidor, y otra serie de ventajas que se explican más adelante, hacen del AM una auténtica pieza angular del futuro industrial en los países más desarrollados del pla- neta. En este documento se recogen los aspectos más destaca- bles del AM, se explican los conceptos fundamentales para entender esta tecnología, se describen las ventajas frente a procesos convencionales de fabricación y también los re- tos que aún debe superar para conseguir su aplicación exitosa en múltiples sectores. Para entender la verdadera magnitud de esta nueva re- volución, es conveniente recordar el importante papel de la industria en el desarrollo económico mundial, y repasar conceptos como el de la era digital contemporá- nea. 13 INTRODUCCIÓN

1.1  Un breve vistazo atrás: la industrialización y el desarrollo económico Desde la antigüedad el avance en las condiciones de vida de la humanidad ha estado directamente ligado a la capa- cidad para adaptar las riquezas naturales del entorno (ma- terias primas) y convertirlas en productos elaborados (teji- dos, calzado, herramientas, armas, alimentos) mediante el consumo de energía, buenas ideas y destreza técnica. No obstante, hasta bien entrado el siglo xviii, el disfrute de estos productos estaba muy limitado a los estratos más pu- dientes de la sociedad, por ser fruto de trabajo artesano, muy personalizado y de escasa capacidad de producción; es decir, eran muy caros. Fue en ese momento cuando una serie de avances tecnológicos (el más conocido tal vez sea la máquina de vapor) fueron aplicados como métodos de fabricación. De esta manera se consiguió reducir los cos- tes y se habilitó la producción masiva de productos en una cantidad que podían llegar a cubrir las demandas de un mercado mucho mayor. En esta etapa nace la industriali- zación que ha venido desempeñando un papel crucial en la economía en los últimos doscientos años, constituyendo el principal motor de generación de valor añadido, y un elemento clave de la modernización y del aumento del ni- vel de vida. El país pionero en este proceso de industrialización fue Inglaterra, que aplicando las innovaciones en maquinaria se convirtió en la primera potencia económica del momen- to. A Inglaterra le sucedieron los Estados Unidos de Amé- rica en esta posición de liderazgo, ya que fue allí donde se desarrollaron avances en campos como la energía eléc- trica o la producción en cadena. Los desarrollos tecnológi- cos crearon nuevos negocios (surgen entonces empresas como GE, Ford y OTIS), además de auténticas revolucio- nes en la sociedad y en la forma de vivir en general, como el fluido eléctrico, los automóviles o la edificación vertical. 14

Posteriormente, en los años cincuenta, la capacidad de Japón para recuperar su industria y su particular método de organización de la producción (conocido en Occidente como Lean Manufacturing), cuyo paradigma encarna la empresa Toyota, situó a la economía nipona entre las pri- meras del mundo. Finalmente, en los últimos veinte años se asiste al nacimiento de China como potencia económi- ca, con crecimiento estrechamente ligado a su capacidad manufacturera, que la ha convertido en la «fábrica del mundo». Todo este proceso de industrialización es el que ha esta- blecido (si no en todo, al menos en gran parte) el ranking contemporáneo de mayores potencias económicas. Pero hoy en día la industrialización es condición necesaria, pero no suficiente, para alcanzar crecientes niveles de ri- queza y desarrollo de un país. Hace falta un potente sec- tor servicios, que no es sustituto del industrial, sino que se apoya en él y lo complementa. La cuestión es que no toda la industria genera el mismo valor. Hay países con una industria muy productiva, que genera un sector terciario muy potente y que es capaz de crear riqueza muy alta por habitante, mientras que otro tipo de industria no actúa de la misma manera. Este es un tema de máxima trascenden- cia hoy en día en Europa, donde existe una gran preocu- pación por la creciente deslocalización de las fábricas. Si este fenómeno no se controla, se podría causar un grave daño al empleo (y en consecuencia al nivel de vida) que en un cuarto del total depende directamente de la industria y en un 75 % de forma indirecta, pues el sector servicios vive en gran medida de sus clientes industriales. 1.2 La fábrica en la era digital En las tres últimas décadas se está asistiendo a una transi- ción hacia lo digital en distintos ámbitos de la vida, tanto personal como profesional. Existen multitud de ejemplos 15

que hablan por sí solos de este vertiginoso cambio: las oficinas técnicas han pasado de los planos de papel dibu- jados a mano a ficheros paramétricos, primero en dos di- mensiones (sistemas de dibujo asistido CAD 2D) y luego en tres dimensiones (sistemas de dibujo asistido CAD 3D); en las comunicaciones, del envío de correo postal a la aparición primero del fax y luego del correo electrónico; en el ocio, de la televisión en dos canales en blanco y negro a la infinita oferta de TDT, o el cambio de la baraja de cartas por el videojuego de realidad aumentada; en el mundo de la salud, de la radiografía RX a la resonancia magnética, TAC (Tomografía Axial Computarizada), o Eco- grafía Doppler 3D. Las fábricas no son ajenas a este fenómeno. Ya se han mencionado los sistemas de Diseño Asistido por Computa- dor (CAD), que afectan a la concepción del producto en las oficinas técnicas, pero también son bien conocidos los software de Fabricación Asistida por Computador (CAM) o para la asistencia a la ingeniería (CAE), el empleo de autómatas y robots en planta, la inspección por visión arti- ficial, el control del avance de la producción en tiempo real (MES), o incluso la modelización y recreación virtual de procesos y fábricas enteras con software de simulación (CAPE). Los avances de la cibernética permiten procesar a gran velocidad ingentes cantidades de datos y manejar siste- mas mecánicos, superando los límites conocidos de fiabili- dad y precisión. No obstante, los procesos de fabricación de piezas, aunque asistidos por controles más avanzados, siguen siendo básicamente los mismos: arranque de viruta, conformado en frío o en caliente, fundición o inyección (anexo 1). Todos ellos se enfrentan a limitaciones, ya no de control, sino físicas, como la imposibilidad de realizar taladros curvos, las colisiones de herramientas con la pie- za de geometría compleja, las restricciones de ángulos de desmoldeo, por poner algunos ejemplos. Estas limitaciones bloquean la creatividad y constituyen una barrera, a veces 16

17 infranqueable, al desarrollo de nuevos productos de alto valor añadido o con nuevas funcionalidades. 1.3 Fabricación de sólidos por adición de capas de material En el último cuarto del siglo xx surgen las tecnologías AM, que se aprovechan de todo este conocimiento desarrollado en la era digital, y que pueden superar las limitaciones antes descritas. En esencia, suponen un giro copernicano respecto a los procesos de construcción de piezas emplea- dos hasta ese momento, ya que se pasa a fabricar por deposición controlada de material, capa a capa, aportan- do exclusivamente allí donde es necesario, hasta conseguir la geometría final que se persigue, en lugar de arrancar material (mecanizado, troquelado…) (ilustración 1), o con- formar con ayuda de utillajes y moldes (fundición, inyec- ción, plegado…). De esta manera, se pueden clasificar los procesos de fabri- cación de piezas de la siguiente forma: •  Tecnologías conformativas: Utilizan preformas para obte- ner la geometría requerida (inyección plástico y meta- les, PIM, sinterizado, colada la vacío, RIM, electrofor- ming…). •  Tecnologías sustractivas: Obtienen la geometría requeri- da sustrayendo material de una geometría mayor (me- canizado, electroerosión, corte por agua, corte por lá- ser…). •  Tecnologías aditivas (AM): Obtienen la geometría aña- diendo material a partir de geometría virtual, sin uso de preformas (conformativas) y sin sustraer material (sus- tractivas). Estas últimas tecnologías serán el objeto de este documento.

18 Ilustración 1: Concepto de fabricación sustractiva comparado con AM Son muy diversas las técnicas de aplicación de AM (como la estereolitografía o el sinterizado selectivo, descritas am- pliamente en el anexo 2) que permiten obtener piezas di- rectamente de un archivo CAD 3D, «imprimiéndolas» de forma totalmente controlada sobre una superficie. Por ello también se han empleado otros términos para referirse a ellas como e-manufacturing (fabricación electrónica), Di- rect Manufacturing (fabricación directa) o Additive Layer Manufacturing-ALM (fabricación aditiva por capas). Prácticamente en desuso está la taxonomía, que atiende al destino final de la pieza fabricada, y que en origen servía para distinguir tecnologías de bajo nivel (prototipado) o de alto nivel (manufacturing): •  Tecnología de prototipado rápido o Rapid Prototyping (RP), si lo que se pretende fabricar es un prototipo, es decir una pieza que sirve para validar o verificar un nuevo diseño, que posteriormente se llevará a producción, probablemen- te, con tecnología no aditiva (inyección, mecanizado…). •  Tecnología de fabricación directa o Rapid Manufacturing (RM), cuando se consigue la pieza final y el producto es, por lo tanto, plenamente funcional. En realidad, dependiendo del uso y requerimientos finales de la pieza a fabricar, o de su cantidad, por citar algunos fac-

19 tores, debe ser el usuario quien decida emplear una tecnolo- gía aditiva para el «prototipado rápido» o para la fabrica- ción final del producto. No obstante, es cierto que el término Rapid Prototyping (RP) es el más antiguo, y que muchas tec- nologías, inicialmente concebidas para hacer prototipos, han evolucionado hacia técnicas de fabricación de productos ple- namente funcionales, gracias sobre todo al desarrollo de nue- vos materiales de características mejoradas. Además, el calificativo Rapid se ha replicado en otros tér- minos como Rapid Tooling, Rapid Casting y Rapid Manufac- turing para nombrar las sucesivas aplicaciones de la fabri- cación aditiva a medida que iban apareciendo. Existen, sin embargo, otras tecnologías de fabricación rá- pida de sólidos, que no están incluidas en el concepto de AM y no son objeto de estudio en este documento, como el mecanizado en alta velocidad (HSM -High Speed Machi- ning) o deformación incremental de chapa (Dieless For- ming), por poner unos ejemplos (ilustración 2). TECNOLOGÍAS RÁPIDAS VARIAS Conformado incremental Lecho completo en polvo Sintetizado láser o EBM Sintetizado térmico polímeros Impresoras 3D Lecho completo líquido Estereolitografía Inyección Filamento plástico FDM Gotas (Polyjet y otros) Boquilla Laser Cladding Mecanizado alta velocidad Inyección baja presión Colada al vacío,... Láminas - contorneado ADITIVAS Ilustración 2: Esquema de tecnologías rápidas de fabricación, clasificadas como aditivas y no aditivas

20 Con sus diferentes denominaciones, tipos y técnicas (ane- xo 3), las tecnologías AM, hoy en día, aún no se han im- plantado de una forma extensa en la industria, en parte porque se deben resolver algunas limitaciones del propio proceso, así como de elementos periféricos al mismo, pero también porque es bastante desconocida por los potencia- les usuarios, que no son conscientes de las enormes venta- jas que puede aportar frente a otros procesos, en muchos nichos de mercado. Muchos de ellos se describen en el siguiente apartado.

21 Las principales características que distinguen el proceso de fa- bricación de sólidos por adición de capas de material (AM) de cualquier otro proceso de fabricación industrial y que, como se verá posteriormente, le confieren enormes ventajas competitivas, se pueden resumir en dos y son las siguientes: •  La complejidad geométrica que se debe conseguir no enca- rece el proceso: Características como la esbeltez, un vacia- do interior, canales internos, los espesores variables, las formas irregulares e incluso la reproducción de la naturale- za (persiguiendo ergonomía, aerodinámica, hidrodinámi- ca, entre otros) son retos que los métodos convencionales (sustractivos y conformativos) de fabricación de piezas no han resuelto más que con aproximaciones, ensamblajes o por medio de procesos de muy alto coste, y que para el AM son, en muchas ocasiones, propiedades muy poco re- levantes a la hora de fabricar una pieza. Ilustración 3: Cortesía de Moldkar y Axis. Diseño KX onfirmat y CloneNature 21 2VENTAJAS Y RETOS DE FUTURO DEL AM

La personalización no encarece el proceso: AM permite fa- bricar productos, sin penalizar el coste, independiente de si se tiene que fabricar un determinado número de piezas iguales o todas distintas, lo que facilita la personalización, que es una de las principales tendencias actuales en el desarrollo de productos de alto valor añadido; la persona- lización en masa es uno de los paradigmas que persigue la industria en países desarrollados y que se considera clave para su sostenibilidad. Ilustración 4: Fabricación personalizada de implantes dentales. Cortesía de EOS GmbH Estas dos características se pueden traducir en ventajas en muchos sectores industriales, que hacen que el AM sea el proceso más competitivo para la fabricación de piezas en muchas aplicaciones. De hecho, permite mate- rializar ejecuciones que son simplemente imposibles me- diante cualquier tecnología de fabricación (sustractiva o onfirmativa) en diversas fases de la cadena de valor in- dustrial: •  Desarrollo de nuevos productos (modelos conceptuales, prototipos). •  Obtención de útiles, patrones, moldes… en el proceso de industrialización y pre/series. •  Producción de productos finales. 22

2.1 Ventajas asociadas a los productos que hay que fabricar •  Productos que requieren de una gran complejidad de forma: Paradójicamente, mientras una geometría com- pleja suele suponer un aumento del coste si se siguen procesos convencionales (sustractivos o conformativos), cuando se aplica AM puede suponer incluso un abara- tamiento o simplificación. Por ejemplo, en el caso de la Ilustración 5, es mucho más barato acometer el diseño con la compleja escalera helicoidal interior y el detalle de sillería en la superficie de la torre, que ejecutar una forma simplificada, maciza interiormente y lisa en el ex- terior. Ilustración 5: Geometría interna compleja en la escalera helicoidal interna de una torre del tamaño de una moneda Estas nuevas capacidades de ejecución geométrica ha- bilitan un diseño que pueda jugar con distintas composi- ciones tridimensionales del material, a la hora de conce- 23

bir un producto y no sólo por una cuestión estética, sino que a veces permite actuar sobre propiedades químicas, mecánicas o eléctricas y adaptar un comportamiento a las necesidades estrictamente necesarias y requeridas en cada caso (resistencia, capilaridad, aerodinámica, conductividad). Estas posibilidades suponen un cambio radical en el proceso de diseño de los productos y per- miten gran libertad creativa, así como la réplica exacta de modelos teóricos de ingeniería (análisis con elemen- tos finitos, por ejemplo), sin las aproximaciones (más o menos ajustadas) que imponen los métodos sustractivos o conformativos. Esas limitaciones que se solían expre- sar con «el papel lo aguanta todo» se superan, gracias al AM, y se pasa a sentenciar de manera muy genérica que «si lo puedes dibujar, se puede fabricar», siempre que las dimensiones de la pieza encajen en la máquina a emplear. Un ejemplo especialmente singular de geometría comple- ja es el de los fractales, término acuñado por Benoît Man- delbrot para definir formas basadas en modelos matemá- ticos cuyas principales características son la auto-similitud y la dimensión fractal. Este tipo de estructuras se encuen- tran habitualmente en la naturaleza, donde los fractales permiten minimizar el uso de materiales y optimizar la funcionalidad, por lo que son la base del crecimiento de muchos sistemas biológicos. El ser humano hasta la actua- lidad no ha conseguido poder replicar estas complejas formas, por lo que han pasado prácticamente desaperci- bidas a la hora de buscar aplicaciones prácticas para ellas. El diseño de productos basado en la naturaleza, aprovechando las posibilidades que ahora ofrecen las tecnologías de AM (espesores de pared variables, por ejemplo), supone un campo muy prometedor aún por ex- plorar. 24

25 Ilustración 6: Estructuras fractales tipo árbol fabricadas en poliamida. Cortesía Fundación Prodintec Un caso curioso de réplica precisa de formas complejas que se encuentran en la naturaleza, el proyecto de investigación TERMES (Termite Emulation of Regulatory Mound Environ- ments by Simulation) (www.sandkings.co.uk) ha realizado un estudio sobre la construcción de los termiteros, con el objeto de conocer sus mecanismos y estudiar las posibles aplicacio- nes futuras de estas complejas estructuras fabricadas por las termitas, en el ámbito de la construcción para viviendas. Los termiteros en el África Subsahariana tienen un compor- tamiento excepcional a la hora de regular y controlar la temperatura interna, como si se tratara de una estructura «inteligente» capaz de mantener unos determinados nive- les de confort. Se estudian los sofisticados sistemas de ven- tilación que estas construcciones emplean y que hasta aho- ra no había sido posible visualizar, por medio de tecnolo- gías de escaneado, y posteriormente se procesan por or- denador los datos para reconstruir y simular en detalle el termitero, aplicando técnicas de AM.

26 • Productos aligerados: La complejidad geométrica tiene una aplicación especialmente destacable en la reducción del peso de un objeto, por medio de estructuras internas huecas o jugando con la densidad de los materiales, por ejemplo. Técnicas conformativas como la fabricación por moldeo per- miten obtener productos huecos, pero siempre con las limita- ciones que impone el desmoldeo (extraer la pieza del mol- de, una vez solidificada), que en ocasiones impide obtener la pieza deseada o exige sofisticar el utillaje de forma que lo hace inviable técnica o económicamente. Otra solución por la que se puede optar, empleando métodos convencio- nales, es descomponer en varias piezas un objeto, pero eso requiere trabajos adicionales de ensamblaje y añade dificul- tades (falta de ajuste, por ejemplo) que pueden ser también muy limitantes. Las técnicas de AM superan todas estas res- tricciones y pueden llegar incluso a materializar gradientes de porosidad en un mismo material, aligerando solo aque- llas partes del producto que el diseñador estima que estarán menos solicitadas. De nuevo se abren posibilidades nunca antes soñadas para concebir nuevas ideas y soluciones. Ilustración 7: Estructura compleja interna en silla Osteon: Diseño y fotos cortesía de Assa Ashuach Studio, patrocinado por EOS GmbH y Complex Matters

27 •  Productos multimaterial: En algunas tecnologías de AM, como es el caso de Objet, además de jugar con la po- rosidad de un mismo material, como se ha explicado, el AM puede fabricar aportando simultáneamente varios materiales en un mismo sólido, para así seguir superan- do limitaciones actuales en la relación peso/resistencia mecánica o aportando funcionalidades nuevas o abara- tando costes. Es cierto que también existen técnicas con- formativas de sobre/moldeo, que pueden unir varios materiales en una misma pieza, pero la distribución mul- timaterial en todo el volumen es mucho más limitada, y las zonas de interconexión suelen ser conflictivas por el distinto comportamiento (mecánico, térmico, dilata- ción…) de ambos materiales. Ilustración 8: Ejemplo de pieza fabricada de una vez con una combinación de materiales con tecnología Objet • Productos ergonómicos: Otra gran ventaja de la absolu- ta libertad geométrica que confiere el AM a sus produc- tos es la adaptación de las formas a la biomecánica humana, de manera que los diseños alcancen una mejor interacción con el usuario sin necesariamente afectar los

28 costes de fabricación. Además, por la característica pre- viamente citada de la personalización, esa ergonomía en el diseño puede adaptarse no solo a unas tallas es- tándar, sino exactamente a las particularidades antropo- métricas de cada individuo. •  Mecanismos integrados en una misma pieza: Al poder integrar distintas geometrías y materiales en un mismo sólido, el AM puede conseguir incluso que simultánea- mente se fabrique un eje y su cojinete, un rodamiento, un muelle y su soporte, un tornillo sinfín y su corona; en definitiva, un mecanismo totalmente embebido en la pie- za en la que debe trabajar, sin necesidad de armados y ajustes posteriores. Esta particularidad no se da en todas las tecnologías de AM y principalmente se puede conseguir en aquellas que no necesitan soporte para su fabricación. Ilustración 9: Ejemplo de integración de funciones en una sola pieza. Pinza para brazo robotizado. Fuente Fraunhofer IPA y EOS GmbH •  Acceso a nuevos nichos de mercado: El avance de las técnicas de AM, cada vez más sofisticadas y precisas, unido a la imaginación de los diseñadores, ha permiti- do ir descubriendo (y más aún lo hará en el futuro) ya no solo nuevas soluciones a productos actuales, sino aplicaciones radicalmente nuevas e incluso modelos de

29 negocio basados en estas tecnologías. Ejemplos desta- cables son la aparición de nuevos tejidos metálicos, un producto bidimensional, fruto de una técnica de fabrica- ción tridimensional, o la producción controlada y perso- nalizada de texturas, característica hasta ahora muy dependiente del proceso de fabricación (acabado del molde, tamaño de la herramienta...). Ilustración 10: Nuevas funcionalidades. Producto Neck Lace, diseño OOMS (www.ooms.nl) 2.2 Ventajas asociadas a los procesos de ejecución •  Reducción del time to market de nuevos diseños: La apli- cación de AM a la producción rápida de prototipos ha permitido, ya hace años, reducir los errores de comuni- cación entre los distintos participantes en un nuevo dise- ño y acelerar su salida al mercado, así como reducir el riesgo de fracaso, aun cuando la fabricación en serie se ha seguido haciendo por métodos convencionales. Si se da un paso más, y se puede disponer de una técnica de fabricación para materializar el producto final, ya no como prototipo intermedio, se pueden reducir drástica- mente muchas de las fases actuales de lanzamiento y validación, así como flexibilizar su adaptación a las continuas demandas en cambio constante de dicho mer- cado.

30 •  Productos con series cortas: La fabricación permite redu- cir los lotes de fabricación, llegando incluso a la serie unitaria, sin apenas costes extras de fabricación, al prescindir de utillaje, lo que supone una ventaja absolu- ta respecto a métodos de fabricación sustractivos y/o conformativos. Así, la implantación de Lean Manufactu- ring, desarrollada por Toyota a mediados del siglo xx, lo facilita enormemente, permitiendo ganar en productivi- dad global de la planta, gracias a la reducción drástica de inventarios, de operaciones sin valor añadido y de una logística interna simplificada. •  Reduce errores de montaje y por lo tanto los costes aso- ciados a ellos: La integración de componentes puede permitir la fabricación de una sola vez del producto acabado, evitando procesos de ensamblaje de compo- nentes, reduciendo además posibles errores durante el ciclo completo de producción (control de inventarios, procesos intermedios de inspección, manipulaciones). •  Reducción de costes de inversión en utillaje: La posibili- dad de implementar un modelo de negocio donde el producto no esté ligado a utillajes supone no solo gran flexibilidad de adaptarse al mercado, sino que se consi- gue una reducción o eliminación de costes asociados (fabricación del utillaje, paradas por cambios de refe- rencia, mantenimiento e inspección), y de muchos pro- cesos intermedios. Adicionalmente, cuando no es viable prescindir de utillajes (caso de grandes lotes, por ejem- plo), las técnicas de AM se pueden aplicar en la simpli- ficación de la fabricación de moldes, troqueles, plan- tillas… con total libertad en el diseño, permitiendo, por ejemplo, canales de refrigeración embebidos, o la adaptación a geometrías complejas. •  Procesos híbridos: Una opción que no se debe olvidar es combinar procesos AM con procesos convencionales

31 (sustractivos y/o conformativos), para aprovechar las ventajas de ambos. Por ejemplo, puede resultar muy conveniente combinar con tecnología de mecanizado por arranque de viruta (MAV). Así, se podría iniciar la fabricación de la pieza por tecnología AM, empleando únicamente la cantidad de material requerido, y aplicar MAV al final, para alcanzar una precisión determinada en el exterior. De esta manera se evita partir de un blo- que de material a desbastar, que requiere mucho tiem- po, desgaste de herramienta y alto consumo energético, pues el AM aproxima la geometría final (se denomina near net shape) y el proceso de mecanizado se reduce a un simple acabado, reduciendo el coste total del proce- so. También es posible la hibridación opuesta, es decir, partiendo de un bloque, fabricar por métodos sustracti- vos, por ejemplo, mecanizando, aquellas geometrías menos complejas, masivas y añadir posteriormente me- diante AM aquellas características especialmente com- plicadas y que generan alto valor, como, por ejemplo, es el caso de canales internos de refrigeración comple- jos para insertos de moldes de inyección. 2.3 Limitaciones y retos de futuro A pesar de los evidentes avances que puede aportar a la industria por sus indiscutibles ventajas, existen limitaciones que hacen que las tecnologías AM no se hayan implanta- do aún de manera generalizada en muchos sectores. Las limitaciones actuales son debidas, como se describe seguidamente, tanto a los propios procesos de AM, que aún pueden ser mejorados, como a procesos periféricos o auxiliares (manipulaciones previas de material, posproce- so, control de calidad) que condicionan en muchos casos su viabilidad, e incluso al desconocimiento de cómo dise- ñar los productos o reorientar los negocios industriales para integrar de forma exitosa estas nuevas tecnologías.

32 Dichas limitaciones son, sin duda, superables, y constitu- yen retos para la investigación, el desarrollo tecnológico y la innovación, que actualmente están siendo abordados por equipos de investigadores y por muchas empresas en todo el mundo. 2.3.1 Limitaciones de proceso del AM •  Disponibilidad y coste de materiales: Aunque es posible aplicar técnicas AM en muchos materiales tanto metálicos como no metálicos, la gama disponible es muy inferior a la que se puede trabajar por métodos sustractivos y/o conformativos, y además el coste de adquisición de ma- terial por unidad de medida suele ser también bastante superior. Estos problemas de disponibilidad y coste de la materia prima son inherentes a los bajos volúmenes de consumo actuales, ya que se produce el conocido círculo vicioso entre baja demanda, que no justifica las inversio- nes necesarias en los productores de nuevos materiales, y el alto coste unitario que disuade de un aumento del con- sumo. Disponer de nuevos materiales que satisfagan re- quisitos concretos de la industria y los consumidores es un aspecto crítico para el futuro desarrollo del AM. •  Acabado superficial de las piezas y velocidad de fabri- cación: Estos aspectos se presentan juntos, pues el au- mento de la velocidad de fabricación condiciona la ca- lidad del acabado superficial. Ambos son también retos muy principales que debe resolver el AM para que sea ampliamente aceptada por sectores donde actualmente solo se admiten procesos de fabricación convenciona- les. Al ser las piezas fabricadas por adición de capas de material, irremediablemente este efecto es apreciable en la superficie. La mejora de esta característica pasa por la reducción del espesor de la capa, lo que tiene una influencia directa en el tiempo de fabricación final.

33 •  Calidad de producto y repetibilidad de proceso: Algu- nas tecnologías AM presentan problemas de repetitivi- dad y capacidad de proceso, es decir, no se puede asegurar la precisión dimensional con la que se va a realizar una pieza y la siguiente. Asimismo, la estabili- dad en las propiedades físicas del producto (dureza, elasticidad, carga de rotura, metalurgia…), aspecto crí- tico para su homologación en determinados sectores (automóvil, aeronáutico, médico…), es también una asignatura pendiente. Uno de los principales causantes de desviaciones dimensionales en las piezas son las ten- siones que se generan entre las diferentes capas, una vez se ha fabricado la pieza, ya que se producen pe- queñas contracciones del material al enfriarse en los procesos térmicos. Al igual que ocurre con otros proce- sos, se deberá trabajar más en profundidad en el cono- cimiento de este tipo de efectos, de manera que se pue- dan predecir y poder realizar el sobredimensionamiento adecuado para su correcta fabricación. •  Tamaño limitado de piezas: El volumen de pieza máxi- mo que se puede construir hoy en día es bastante limita- do. En piezas de plástico se puede llegar a dos metros, mientras que empleando metales no se puede superar un cubo de 500 mm de lado. Existe también un límite inferior de las piezas más pequeñas que se pueden fa- bricar y está condicionado por parámetros, como, por ejemplo: - el tamaño de polvo de material que hay que utilizar para que aporte seguridad en su manipulación duran- te todo el proceso; - el diámetro o «spot» mínimo que es capaz de proce- sar una máquina de tecnología láser, que no podrá conseguir detalles más pequeños que entre una y me- dia y dos veces el diámetro del haz de láser; - espesor de capa de deposición de material.

34 •  Coste de la maquinaria: De forma análoga a cuanto su- cede con el coste de la materia prima por lo limitado del mercado actual, el coste de la maquinaria supone una barrera de entrada. No obstante, los precios varían mu- cho: desde 10.000 euros una pequeña impresora 3D hasta máquinas de más de un millón de euros, en función de la aplicación final del producto, del tipo de tecnolo- gías AM que hay que emplear y de la calidad que se requiera para cada caso. La tendencia es que esta ma- quinaria, como ocurrió en el pasado con otras tecnolo- gías, vayan reduciendo su coste al ir introduciéndose poco a poco en la industria y se alcancen economías de escala. El factor que más influye en el coste de las piezas fabricadas (fundamentalmente en AM con metal) es preci- samente el precio/máquina que hay que repercutir en la fabricación de cada unidad. Estudios realizados por AIMME demuestran que el material puede suponer entre el 5 y el 25 % del coste real de la pieza, siendo el resto coste de procesado. En este cálculo afecta notablemente la baja velocidad del proceso de deposición de capas, que hace que la productividad por pieza sea pequeña y, en consecuencia, el coste/máquina por pieza, muy alto. •  Desconocimiento de la dinámica del proceso, especial- mente para piezas metálicas: Son escasos los trabajos de investigación que han analizado los diversos aspectos de la mecánica del proceso aditivo y su evolución con el tiempo, por lo que no se controlan suficientemente todos los parámetros que le afectan. Por ejemplo, aún se desco- nocen las relaciones entre la cantidad de material em- pleado, la geometría de la pieza que hay que construir, la estructura y densidad de los soportes necesarios, la orientación de las piezas en el volumen de construcción y otros parámetros de operación como la relación entre el aporte de calor de fusión y la disipación de dicho ca- lor. A la hora de fabricar una pieza, es indispensable encontrar el punto más apto para evitar los soportes, con-

35 seguir la mejor calidad superficial, el menor tiempo de fabricación, la mejor posición para limitar las tensiones internas y deformaciones y la disminución de problemas de roturas de los soportes durante la fabricación. La prin- cipal causa de estos problemas radica en la aportación de calor necesario para el proceso y su evacuación. Este último se transmite en parte a la atmósfera, pero gran parte se queda y se transmite al resto de la pieza, bien a través de los soportes hacia la plataforma o bien al polvo circundante. Los calentamientos y enfriamientos bruscos, cíclicos, en distintas geometrías de la pieza en construc- ción generan reacciones incontroladas y distintas en cada caso durante el proceso de fabricación, situaciones que a priori no se pueden predecir. Los programas de software comerciales actuales prevén de manera genéri- ca estas situaciones y pueden orientar a la hora de mini- mizar este problema, pero siempre de manera genérica para una pieza que durante la fabricación, debido a su geometría cambiante en el eje Z, tendrá distintos compor- tamientos. Para un control más ajustado del proceso se requieren investigaciones más profundas, con el objetivo de poder determinar bien las relaciones entre todos los parámetros, para así poder prever las consecuencias que la temperatura de la pieza, los soportes, la plataforma, las tensiones y sus dilataciones durante la fabricación tie- nen en las deformaciones y dimensiones finales de la pie- za. Este conocimiento podrá llevar incluso a introducir modificaciones en el diseño, de forma que se corrijan las desviaciones durante el proceso de fabricación y la pie- za final corresponda a lo deseado. 2.3.2 Limitaciones de procesos auxiliares o periféricos •  Sistemas de dibujo asistido (CAD): La creación del mode- lo 3D es el paso previo al AM y, aunque hoy existe soft-

36 ware muy diverso para diseñar sólidos y superficies com- plejas, éstos han sido desarrollados para una ingeniería de fabricación basada en procesos sustractivos y/o con- formativos y no en procesos AM. Por ello en muchas oca- siones este software empieza a ser el auténtico cuello de botella para la creación de productos realmente innova- dores y radicalmente distintos a las soluciones actuales. Por poner algunos ejemplos, las posibilidades de diseñar piezas multimaterial o con materiales con gradientes de densidad o porosidad gradual, que no supone un gran problema para una máquina de AM, no están resueltos en programas de asistencia al dibujo actuales. •  Manipulación de materia prima en polvo: Otra opera- ción auxiliar en un proceso AM es el trasiego de mate- rial base en la máquina, que muchas veces se maneja en forma de polvo, y que es necesario cargar y descar- gar en la máquina, recuperarando los sobrantes, que se vuelven a tratar para su reutilización (tamizado, com- pactado…), así como la limpieza para evitar la contami- nación cuando se cambia de material; toda estas opera- ciones son actualmente manuales, por lo tanto muy labo- riosas y, en ocasiones, penosas e incluso peligrosas. No hay soluciones para automatizar estas operaciones, lo que supone altas tasas de improductividad y operacio- nes sin valor añadido. •  Manutención y manipulación de accesorios: Aparte del manejo de grandes cargas de polvo, es necesario mani- pular otro tipo de accesorios como placas pesadas, de- pósitos voluminosos, o incluso la extracción de las pie- zas fabricadas y que, en algunos casos, salen a alta temperatura; estas operaciones, por lo general, tampo- co han sido optimizadas. •  Separación de piezas metálicas de placas de construc- ción: En los procesos AM con material metálico, las pie-

37 zas se construyen soldadas a una placa base metálica para asegurar su correcta ejecución; una vez terminada la pieza, hay que separarla de dicha placa, proceso que se está haciendo por medio de sierras convenciona- les de disco o cinta, de forma muy laboriosa y poco eficiente. La geometría de las estructuras de soporte pie- za/placa no son macizas y contienen material en polvo sobrante en su interior, lo que hace muy difícil recurrir a procesos de electroerosión (EDM) o mecanizado tradi- cional, tanto para su separación como para la elimina- ción de los soportes aún adheridos a la pieza (acaba- do). Por ello, uno de los aspectos críticos a la hora de analizar la viabilidad del AM para construir una pieza determinada, es precisamente acertar con la estrategia que permita eliminar los soportes de la forma más sen- cilla y económica (altura de los soportes, espesor, espa- cios para poder sujetar la pieza posteriormente…), y no generar deformaciones o roturas en la pieza que se acaba de fabricar. Otro problema añadido se produce cuando se fabrican muchas piezas pequeñas en una misma placa, para abaratar el coste/pieza, dado que en el momento de la eliminación de soportes se puede perder la trazabilidad y confundir unas con otras, si no presentan grandes diferencias entre sí (caso de implan- tes dentales, por ejemplo). Ilustración 11: Ejemplo de pieza metálica unida a la placa de fabricación por medio de soportes. Cortesía Fundación Prodintec

38 •  Procesos de acabado de las piezas: En caso de que haya que someter las piezas a un acabado, bien por tratamiento térmico bien por procesos mecánicos, las piezas AM presentan dificultades. En los tratamientos térmicos, los problemas son de falta de experiencia y conocimiento real sobre las propiedades metalúrgicas, frente a los comportamientos bien conocidos de piezas mecanizadas, estampadas, inyectadas, fundidas, solda- das, etc. En cuanto a los procesos mecánicos de acaba- do, como puede ser un mecanizado bien para asegu- rar una tolerancia o para eliminar restos de soportes de construcción, la presencia de material en polvo sobran- te o las estructuras huecas de los soportes suponen un comportamiento muy abrasivo del material que perjudi- ca la vida de la herramienta y provoca un corte discon- tinuo, aparte de que suele ser difícil plantear un buen amarre de la pieza y acertar en los puntos de referen- cia («hacer el cero») por lo complicado de las geome- trías. •  Integración con procesos previos y posteriores: Ya se ha mencionado anteriormente la posibilidad de realizar procesos de fabricación híbridos, en que el AM se com- bine con tecnologías como el mecanizado, pero la asig- natura pendiente en este campo es el escaso desarrollo de sistemas que permitan comunicar los puntos de refe- rencia entre máquinas y tecnologías tan diferentes, para evitar los errores en la transición entre un proceso AM y otro sustractivo. 2.3.3 Limitaciones ligadas a nuevos modelos de negocio •  Reciclado al final de vida de productos: La ventaja que supone la posibilidad de fabricar componentes multimateriales o, por ejemplo, que integren sistemas

39 electrónicos embebidos, supone también un problema añadido a la hora de la segregación necesaria en el proceso de reciclado de productos una vez hayan fi- nalizado su vida. Actualmente, por el pequeño volu- men de productos AM, aún no se ha identificado este como un gran problema, pero sin duda debe ser un tema a considerar en paralelo con el desarrollo de estas tecnologías. •  Desconocimiento por parte de los diseñadores industria- les: Los diseñadores actuales han sido instruidos para concebir piezas que se puedan fabricar por métodos sustractivos o conformativos, y esto se convierte en una limitación muy considerable para sacarle todo el partido posible a las tecnologías AM. Por ello, para hacer com- petitivo un proceso AM, se hace necesario que diseña- dor y constructor realicen un trabajo de ingeniería con- currente que cuestione el diseño básico tradicional, en- tre en su fundamento, y se libere de tópicos y paradig- mas condicionados por los procesos sustractivos y con- formativos. Este trabajo, nada trivial, realizado conjun- tamente entre el diseñador que domina el producto y el especialista en AM, consigue resultados realmente es- pectaculares, que en muchas ocasiones cambian por completo la idea inicial del producto. En este sentido hay que recordar que las tecnologías de AM se están incorporando ya a la formación técnica, tanto en asig- naturas dentro de los programas formativos de distintas universidades, escuelas de diseño, así como en máste- res, cursos de extensión universitaria, y que el alto inte- rés por parte de los alumnos se traduce en un buen nú- mero de proyectos fin de carrera y tesis doctorales rela- cionados con la temática. •  Propiedades anisótropas: El AM introduce nuevos factores a tener en cuenta respecto a las característi- cas mecánicas de los productos fabricados, depen-

40 diendo de la dirección de construcción de las capas. Los programas de simulación y análisis actual llevan acabo su actividad bajo la hipótesis de materiales homogéneos, no siendo este el caso para productos fabricados por capas, al presentar distintos compor- tamientos según el eje de construcción x,y,z (aniso- tropía) y posibilitar la fabricación de piezas con dis- tintos gradientes de material. •  Propiedad intelectual: Finalmente, la posibilidad futu- ra que se abre de poder llegar a fabricar los produc- tos de manera individual por parte del público en ge- neral, por ejemplo mediante descargas por Internet de diseños, hace que se deban considerar asuntos relacionados con la propiedad intelectual de dichos diseños. 2.4 El valor frente al coste de la tecnología Para determinar de forma correcta el coste real de una pieza fabricada con tecnologías AM se debe atender a los cinco conceptos que seguidamente se relacionan: •  Coste de material: Es bastante más caro que el material de iguales características empleado en procesos conven- cionales, a falta de que se consigan economías de esca- la que los abaraten. No obstante, la tecnología AM evi- ta (o minimiza cuando requiere soportes) el desperdicio de material, por lo que en ocasiones el balance puede ser favorable. •  Coste de personal: El personal dedicado debe tener gran especialización para atinar con la correcta es- trategia de fabricación, con la ubicación en la plata- forma y la programación de parámetros adecuados,

41 así como en las operaciones de posproceso requeri- das en el acabado. Durante la fase de construcción en la máquina no es necesaria ninguna operación, por lo que, en comparación con los procesos conven- cionales, se necesita menos mano de obra, pudiendo aprovechar turnos de noche y jornadas no laborables, de forma que las máquinas trabajen en modo des- atendido. •  Coste de amortización de la maquinaria: Se trata en general de maquinaria costosa, que en muchas ocasio- nes opera con láser o cabezales que requieren manteni- miento y que está sujeta a desgaste, por lo que deman- da recambios cada cierto número de horas de funciona- miento. El grado de utilización de las máquinas debería ser superior al 85 %. •  Coste de tecnología periférica: Una máquina de AM no es suficiente para implantar esta tecnología de fabrica- ción, sino que hace falta poder manejar (o generar) fi- cheros digitales con los modelos que hay que reprodu- cir, asegurando su coherencia y maquinaria de pospro- cesado. •  Costes indirectos: Entre ellos los gastos de formación del personal, consumo de energía, costes de no calidad o gastos generales asociados; la variable clave en el pro- ceso es el tiempo de fabricación, por lo que la imputa- ción de estos costes indirectos debe ser proporcional al número de horas de trabajo. No obstante, para poder comparar correctamente la com- petitividad de un proceso de AM frente a otro tradicional, para decidir la fabricación óptima de una pieza, es nece- sario cambiar los métodos de análisis más habituales, sim- plistas, enfocados exclusivamente al coste, y comparar ese dato con el del valor añadido que le confiere al producto.

42 Esta recomendación está alineada con documentos de amplio consenso como la Agenda Estratégica de Investi- gación (SRA: Strategic Research Agenda) de la Platafor- ma Tecnológica Europea de la Fabricación, Manufuture, donde se hace especial mención a la necesidad de orientar la industria hacia la generación de valor en los productos y procesos, en contraste con la tendencia tra- dicional del abaratamiento de los costes, para asegurar su sostenibilidad. Si hoy en día las tecnologías de AM no se han expandido ampliamente por diversos sectores industriales, es porque no se ha aprendido a medir tanto su viabilidad técnica (ajuste de calidad de las piezas, homologaciones…) como la económica en una aplicación concreta. Algunos secto- res sí que han sabido explotar las ventajas que esta tecno- logía aporta, como el dental o la cirugía personalizada, pero se trata de sectores donde el coste no suele ser un factor limitante, al ser negocios de muy alto valor añadido. Es necesario abundar en adecuados análisis de coste/be- neficio en muchos otros sectores industriales y económicos, en general, para avanzar en la implantación de los proce- sos aditivos. Se han hecho varias comparativas de coste frente a proce- sos de inyección de plásticos. En el caso de la inyección, se hace necesario fabricar un molde, que tiene una influen- cia muy importante en el coste de las piezas para volúme- nes bajos. Al aumentar la cantidad de piezas fabricadas, el coste/pieza se reduce de manera exponencial, y llega un momento material en que el coste del molde apenas influye en el coste de material y de operación. Por el con- trario, empleando técnicas aditivas, el coste/pieza es prácticamente independiente del número de ellas, por no tener que amortizar ningún utillaje. En los gráficos de las ilustraciones siguientes se puede ver el punto de equilibrio que representa la cantidad a partir de la cual es más ren- table inyectar la pieza frente a fabricarla directamente por tecnologías AM.

43 Fabricación aditiva Inyección de plástico Coste del molde Volumen de producciónQ Costetotal Ilustración 12: Comparativa coste/cantidad Inyección de plastico Fabricación aditiva Volumen de producciónQ Costeunitario Ilustración 13: Comparativa coste unitario

44 Como se ha señalado anteriormente, el coste/pieza es un factor fundamental a la hora de decidirse por un proceso de fabricación determinado; y, como se acaba de explicar, el tamaño de la serie es un parámetro decisivo, pero la deci- sión puede ser errónea si se fija exclusivamente en la cuan- tía de los costes. En este momento es cuando se debe entrar a valorar otros aspectos como la libertad que puede supo- ner no depender de un costoso y rígido molde, los posibles cambios de diseño durante la vida del producto, la posibili- dad de ajustar los lotes al número exacto que demanda el mercado (en lugar de tirar grandes lotes para justificar los costes de tiempo de cambio en la inyectora). Cuando se trata de un producto novedoso, puede existir gran incertidumbre sobre cuál será su aceptación en el mercado y la cantidad que finalmente se va a vender. Si se opta por la inyección, una vez construido el molde, no llegar a las ventas previstas supone un riesgo que puede redundar en un desastre financiero, mientras que si se opta por el AM, se puede plantear el negocio ajustado a los costes variables y bajar dramáticamente el nivel de riesgo. Estas consideraciones permiten desplazar el punto de equi- librio a la derecha y aumentar la competitividad del AM. Adicionalmente es muy importante, al realizar este análisis de viabilidad comparada, no partir con un error de base, como es presupuestar una pieza que se ha diseñado pen- sando en procesos sustractivos o conformativos de fabrica- ción, sin hacer un rediseño previo adaptado a las particu- laridades de las tecnologías de AM. Vaciar de material el interior de la pieza, buscar formas geométricas óptimas, por complicadas que sean, o integrar varios componentes en uno son estrategias adecuadas habituales que permiten rediseñar la pieza de forma que, en un análisis holístico, el resultado es favorable al AM. La adaptación de un diseño para ser fabricado por capas no es trivial, requiere de un trabajo de ingeniería concu- rrente entre expertos del AM y la empresa o el diseñador que domina el producto, su funcionalidad esperada, y que

45 se aborde el proceso con amplitud de miras y con gran flexibilidad conceptual para poder llegar a soluciones real- mente innovadoras, no convencionales. El proceso suele ser iterativo y por el camino se van descubriendo nuevas posibilidades, inicialmente no planteadas, como la posibi- lidad de personalizar piezas, realizar gamas de produc- tos, en lugar de un diseño monolítico, reducir peso o mejo- rar prestaciones. Al final el coste de fabricación puede ser menor o mayor, pero el valor añadido del producto suele ser bastante ma- yor que el que se podría alcanzar por otro proceso confor- mativo, en este caso la inyección.

47 Se detallan a continuación algunos de los sectores y apli- caciones donde las tecnologías AM son actualmente em- pleadas y aún disponen de gran potencial de crecimiento, gracias, precisamente, a que se han podido experimentar en condiciones reales y ha sido posible valorar las venta- jas que aportan frente a procesos sustractivos o conforma- tivos. También se señalan otros sectores de futuro, donde aún no se está aplicando o se hace de forma muy puntual, y se ponen ejemplos de nuevos modelos de negocio que están empezando a surgir en muy diversos campos. Cabe aclarar que el AM no tiene por qué ser un sustituto de los procesos sustractivos o conformativos en el 100 % de los casos, sino que es una opción más dentro de una cadena de producción, que permite, con sus ventajas y sus limitaciones, el diseño y la ejecución de soluciones con mayor valor añadido, menores costes o simplemente más rápidas. 3.1  Sector médico Uno de los principales fabricantes de maquinaria de AM identifica el sector médico como el de mayor aplicación de los productos fabricados con esta tecnología (23 %), 47 3Sectores de aplicación

seguido del sector automoción (15 %) y el aeronáutico (15 %). De hecho, este interés por el AM en el sector médico ha sido un motor para el desarrollo de la tecnología desde sus orígenes en los años ochenta. A pesar de ser un sector extremadamente conservador en la aplicación de cual- quier avance tecnológico, las enormes ventajas que apor- taba el AM han provocado el trabajo en colaboración entre desarrolladores (fabricantes de maquinaria funda- mentalmente) y usuarios (los propios especialistas médicos) en un gran número de proyectos de investigación, muchos de ellos en marcha hoy en día. Las particularidades que acrecientan el interés en este sec- tor son las siguientes: • Hay necesidad de piezas únicas, adaptadas a las cir- cunstancias de cada paciente, cada doctor y cada tra- tamiento, difícilmente repetibles. • Aunque la solución al problema entrañe altos costes, es un sector de alto valor por tratar con temas de salud, calidad de vida, o incluso riesgo de muerte. • Los modelos geométricos son de gran complejidad para adaptarse bien al cuerpo humano, lo que hace muchas veces imposible optar por métodos convencio- nales de fabricación. • Existe una familiaridad entre los sistemas de captura de datos médicos (TAC, escáner…) y las técnicas de tratamiento de ficheros necesarias para el AM, y es posible integrarlos con relativa facilidad. • Los médicos (usuarios finales) disponen de un alto gra- do de autonomía en la toma de decisiones en muchos casos (especialmente en los más graves o difíciles), por lo que no se requiere un largo proceso de homologa- ción de nuevas tecnologías. Dentro del sector médico se pueden distinguir diversos sub- sectores de aplicación: 48

3.1.1 Biomodelos La complejidad de formas de los distintos órganos del cuerpo humano, su singularidad y las a menudo urgentes necesidades de intervención son circunstancias que facili- tan la aplicación del AM por delante de cualquier otro método de producción. Por ello, una de las prácticas que más se está extendiendo es la reproducción de partes (o totalidad) del cuerpo de un determinado paciente, a modo de prototipo, que permita al cirujano planificar a la perfec- ción una compleja intervención quirúrgica. De uso ya ha- bitual por ejemplo en traumatología, este tipo de aplica- ción reduce el riesgo de errores y replanificaciones duran- te la propia operación, ya que el especialista ha podido ensayar antes de actuar sobre el paciente, y limita al míni- mo el tiempo de exposición en el quirófano. Ilustración 14: Encaje transtibial, resina 18420 SLA. Fuente proyecto FABIO: AIMME, ASCAMM, IBV e INASMET 49

Estos modelos facilitan la comunicación en diversas situa- ciones: • Explicar a los pacientes y mejorar el consentimiento informado ante una intervención. • Ayudar a los cirujanos en el diagnóstico en la planifi- cación, ensayo y la simulación de la cirugía. • Creación, comprobación y ajuste de implantes y próte- sis personalizadas. • Posicionamiento preciso de los implantes. • Ilustrar propuestas de nuevos procedimientos. • Modelos para campos como paleontología, antropolo- gía, arqueología, medicina forense… 3.1.2 Implantes artificiales personalizados • Implantes de oído: La fabricación personalizada de las carcasas plásticas para los implantes de oído ya es una realidad industrial y una de las primeras aplicaciones de éxito de personalización en masa. Las ventajas que ofre- ce un producto que se adapte perfectamente a la geome- tría individual del canal auditivo de cada paciente, ha- cen que su alto valor añadido, por comodidad y funcio- nalidad, sea muy competitivo desde una perspectiva técnica y económica. Ilustración 15: Proceso de fabricación de implantes de oído por sinterizado láser selectivo. Cortesía de PHONAK y EOS GmbH 50

51 •  Implantes dentales (coronas y puentes): El campo de implantes dentales es uno de los más avanzados en el empleo de tecnologías de AM de fabricación, asistida por la toma de datos mediante escaneado de la boca del paciente que hay que tratar, de forma que se con- sigue un acoplamiento perfecto con su dentadura. La posibilidad de emplear materiales como el cromo- cobalto-molibdeno, o el oro, asegura un futuro aún más prometedor en los próximos años, existiendo ya en la actualidad unidades de producción de este tipo de ma- teriales de forma seriada. De hecho se está consiguien- do no solo mucha más precisión, sino incluso mayor productividad con sistemas como EOS M270 que pue- de fabricar 380 unidades de coronas y puentes (todas distintas y personalizadas) en cromo cobalto en unas 20 horas, según el caso, duplicando o triplicando la producción por mecanizado o colado a la cera. Ilustración 16: Implantes dentales. Cortesía EOS GmbH •  Implantes y prótesis articulares a medida (rodilla, hom- bro, cadera, traumatismos…): Existen soluciones AM para aleaciones de cromo-cobalto y titanio biocompati- bles, que permiten fabricar implantes de geometría muy compleja, de manera rápida (de un día para otro) y de forma competitiva en costes con altos niveles de calidad. El acabado final de las piezas y sus propieda-

52 des mecánicas pueden ser considerados tan buenos como los de las fabricadas por métodos sustractivos. Ilustración 17: Implante femoral de rodilla fabricado mediante EBM en aleación CoCr ASTM F75. Cortesía de AIMME Al igual que ocurre con otros procesos de fabricación, es de obligado cumplimiento en este sector pasar un proceso de vali- dación y cualificación de este tipo de sistemas

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